高艷軍

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某重型卡車發(fā)動機懸置優(yōu)化設(shè)計

高艷軍

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章主要針對某重卡發(fā)動機懸置膠墊在試驗時開裂的現(xiàn)象，進行詳細的調(diào)研和收集故障信息，之后較全面的分析出發(fā)動機懸置膠墊裂紋形成的原因，并對膠墊結(jié)構(gòu)和性能進行優(yōu)化設(shè)計，確保優(yōu)化后的懸置膠墊符合設(shè)計要求，對懸置膠墊的剛度性能進行試驗驗證。

發(fā)動機懸置；裂紋；剛度；優(yōu)化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.002

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-04-03

前言

汽車發(fā)動機懸置系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)具備良好的減振效果，能有效隔離發(fā)動機振動向車體的傳遞，降低車體的振動水平，減小發(fā)動機對車體的影響，另外發(fā)動機懸置系統(tǒng)還應(yīng)具備一定的可靠性。所以對于整車而言必須設(shè)計一種合理的發(fā)動機懸置系統(tǒng)，降低隔振后整機的振動烈度，避免造成構(gòu)件殘余變形和裂紋，加速機器失效，影響車輛行駛的平順性和駕駛舒適性。

安裝于發(fā)動機和車架之間的橡膠減振墊由于安裝位置比較隱蔽，膠墊開裂初期很難察覺，致使斷裂發(fā)生后造成動力總成異常工作，影響車輛行駛車主才能得知，此時必然造成很大的經(jīng)濟損失。本文通過對某重卡發(fā)動機懸置軟墊進行結(jié)構(gòu)和性能分析，找出其設(shè)計缺陷，并通過實驗驗證檢測優(yōu)化后結(jié)果。

1、發(fā)動機前懸置膠墊故障分析

1.1 故障描述

根據(jù)試驗反饋，某重型牽引車試驗過程中出現(xiàn)發(fā)動機懸置膠墊開裂，屬于較嚴重試驗故障。影響試驗進展，故障圖如下圖1所示：

圖1 懸置腳墊故障圖

由故障形式可以看出有三個區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力強度相對比較大，分別位于橡膠與上下兩塊鋼板交界面處和橡膠內(nèi)部與金屬件交界處，應(yīng)力強度常呈帶狀分布，這種結(jié)構(gòu)膠墊工作使用時，這三個區(qū)域是疲勞失效最先發(fā)生的地方，成為結(jié)構(gòu)的疲勞源。即在不考慮結(jié)構(gòu)微觀裂紋及橡膠澆鑄中可能出現(xiàn)氣孔的情況下，結(jié)構(gòu)疲勞失效總是最先發(fā)生在表面上，而疲勞破壞起因往往是由于初始細小裂紋的產(chǎn)生后急劇增大導致整體橡膠懸置撕裂。

1.2 故障原因分析

橡膠與金屬結(jié)合面整齊，橡膠壓縮變形后被金屬棱邊割破產(chǎn)生初始裂紋。

橡膠內(nèi)設(shè)置限位銷，懸置剪切變形后被銷子尖角割破，橡膠內(nèi)部產(chǎn)生初始裂紋后擴散到外面。

膠墊金屬板太長，拉伸變形后與橡膠結(jié)合面產(chǎn)生應(yīng)力集中導致結(jié)合面形成初始裂紋并沿結(jié)合面曼延

側(cè)向剪切剛度底，壓剪比過大，致使膠墊使用過程中存在較大變形。

根據(jù)以上分析情況對發(fā)動機懸置膠墊進行重新結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化設(shè)計。

2、發(fā)動機前懸置膠墊優(yōu)化設(shè)計

2.1 發(fā)動機懸置相關(guān)參數(shù)確定

（1）確定動力總成的總質(zhì)量。

發(fā)動機質(zhì)量為875kg，變速箱總成的質(zhì)量為270kg，離合器50kg。動力總成的總重量為1195kg.

（2）確定動力總成的質(zhì)心位置（以飛輪殼后端面中心為坐標原點，水平向前為X+，向右為Y+，向上為Z+）．根據(jù)發(fā)動機廠家提供的數(shù)據(jù)，可以查出發(fā)動機裝置總成的質(zhì)心位置，（647， 0， 100），根據(jù)變速箱廠家提供的數(shù)據(jù)，可以得出變速箱裝置的質(zhì)心位置（-365，0，15）。動力總成模型如如圖2。在動力總成中，排氣管、線束等相對整個動力總成的重量都很小，這里可以忽略考慮。

圖2 動力總成懸置模型

（3）確定各點參數(shù)值。

設(shè)前懸置支撐力為F1，后懸置支撐力為F2；

發(fā)動機重量為G1=8575N，變速箱加離合器重量為G2=3136N；

發(fā)動機質(zhì)心距離前支撐點距離為L1=505mm；發(fā)動機質(zhì)心距離后支撐點距離為L2=579mm；變速箱質(zhì)心距離前支撐點距離為L3=1517mm；變速箱質(zhì)心距離后支撐點距離為L4=433mm；（4）前后懸置支撐點受力分析

由于靜態(tài)情況下變速箱懸置不受力，所以此次計算不考慮變速箱懸置支撐力。以發(fā)動機前懸置支撐點為旋轉(zhuǎn)中心列力矩平衡方程：

G1×L1＋G2×L3=F2×（L1＋L2）

得靜態(tài)情況下后懸置受力F2=（G1×L1＋G2×L3）/（L1＋L2）=8379N

以發(fā)動機后懸置支撐點為旋轉(zhuǎn)中心列力矩平衡方程：G1×L2－F1×（L1＋L2）=G2×L4

得前懸置靜態(tài)受力為F1=（G1×L2－G2×L4）/（L1＋L2）=3332N

前懸置為對稱45度傾斜布置，所以單個懸置膠墊垂直方向受力為3332×COS45°=2356N

2.2 發(fā)動機前懸置膠墊剛度計算

發(fā)動機外激干擾頻率：

懸置系統(tǒng)的傳遞率要求：

T=10%

懸置系統(tǒng)的自振頻率：

懸置軟墊靜變形量：

前懸置軟墊的靜剛度：

天然橡膠動靜剛度比：1.2～1.6 選取動靜剛度比1.4。

根據(jù)已經(jīng)計算出的額定負荷下軟墊靜剛度求解在額定負荷下固有頻率時的懸置動剛度。

范圍為：（1499±150）。

2.3 發(fā)動機前懸置膠墊結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)以上計算和分析對發(fā)動機懸置膠墊進行以下結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化：

（1）在橡膠件與金屬件的粘合過渡處采用圓滑過渡并且使膠體向?qū)嶓w部分收縮而不應(yīng)鼓出。這樣避免膠體壓縮時金屬銳邊切入膠體, 使膠體開裂直至脫落。

（2）在橡膠體周邊避免銳棱拐角, 即使在膠體內(nèi)部結(jié)合面也采用圓滑過度。

（3）相比優(yōu)化前在膠墊中間增加鋼板提高抗剪切能力，有利于懸置膠墊可靠性提高。

（4）把上下骨架尺寸盡量縮小，避免鋼板骨架變形與橡膠結(jié)合面產(chǎn)生應(yīng)力集中。

（5）根據(jù)計算結(jié)果優(yōu)化后前懸置膠墊靜剛度為（1071 ±100）N/mm。

優(yōu)化后發(fā)動機懸置膠墊可靠性達到提高，消除了應(yīng)力集中部分，如下圖3所示：

圖3 優(yōu)化后膠墊總成圖

3、優(yōu)化前后的懸置膠墊臺架試驗及道路驗證

3.1 優(yōu)化前的懸置膠墊性能測試

首先對優(yōu)化前的發(fā)動機懸置膠墊進行臺架試驗，測試懸置膠墊的性能符合性。試驗如下圖4所示：

圖4 優(yōu)化前的膠墊實驗圖

分別測試加載和卸載兩種試驗工況下懸置膠墊的剛度值，可以看出優(yōu)化前的剛度不滿足設(shè)計要求，由于靜態(tài)剛度不滿足要求所以不進行動剛度測試，測試結(jié)果如下表1所示：

表1 優(yōu)化前的膠墊靜剛度試驗結(jié)果

接下來對優(yōu)化后的發(fā)動機懸置膠墊進行臺架試驗，確定懸置膠墊的靜剛度和動剛度符合性。試驗如下圖5所示：

圖5 優(yōu)化后的膠墊實驗圖

分別測試加載和卸載兩種試驗工況下懸置膠墊的剛度值，可以看出優(yōu)化后的懸置膠墊剛度與設(shè)計值比較符合，測試結(jié)果如下表2和表3所示：

表2 優(yōu)化后的膠墊靜剛度試驗結(jié)果

表3 優(yōu)化后的膠墊動剛度試驗結(jié)果

由對比圖表和以上試驗結(jié)果可以看出，優(yōu)化后發(fā)動機懸置膠墊靜剛度有所提高，更接近理論計算結(jié)果。對發(fā)動機懸置的減振和可靠性都得到進一步提升。

3.2 優(yōu)化后的膠墊道路試驗驗證情況

根據(jù)對發(fā)動機前懸置膠墊的優(yōu)化措施，將優(yōu)化后的膠墊進行裝車驗證，驗證優(yōu)化后懸置的可靠性，并進行試驗跟蹤，優(yōu)化后的發(fā)動機懸置膠墊在整車可靠性試驗過程中沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，由此判定發(fā)動機懸置的開裂故障得到了有效解決。

4、結(jié)論

本文針對試驗場發(fā)動機前懸置膠墊開裂現(xiàn)象，對裂紋產(chǎn)生原因進行分析，對發(fā)動機懸置膠墊結(jié)構(gòu)和性能進行重新設(shè)計匹配，消除應(yīng)力集中區(qū)域，避免懸置膠墊形成初始裂紋，提高懸置膠墊剛度，降低壓剪比。對優(yōu)化后的發(fā)動機懸置膠墊進行臺架試驗，驗證懸置剛度符合設(shè)計要求，最后通過裝車道路試驗驗證，改進后的發(fā)動機前懸置膠墊沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，滿足設(shè)計和使用要求。

[1] 周志革,武一民. 發(fā)動機懸置系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計[J] . 機械設(shè)計,2003.

[2] 上官文斌,等. 發(fā)動機懸置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J] . 汽車工程,1992 (2).

[3] 余志生. 汽車理論.北京.清華大學出版社.2000 .

The optimization design of the engine mounting in a heavy tractor

Gao Yanjun

( Anhui Jianghuai Automobile Group. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In this paper.the phenomenon of cracking on the experiment for a heavy truck engine mounts.detailed research and collect the failure information. after a comprehensive analysis of the reasons for the formation of the engine mounting pads crack. pad structureand optimize the performance of the design to ensure that the optimized suspension pads to meet the design requirements. test validation of the stiffness properties of the suspension pad.

engine mounting; crack; stiffness; Optimization

U462.1

A

1671-7988 (2017)05-04-03

高艷軍，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心。